Революция в 3D-культуре клеток с помощью упрощенной цифровой микрофлюидной технологии

Большинство клеток человеческого тела существуют в сложной трехмерной среде, однако их по-прежнему обычно изучают на плоских пластиковых посудах. Эти двумерные культуры искажают поведение клеток, ограничивая их применимость для прогнозирования биологических реакций в реальных тканях. Микрофлюидные технологии улучшили контроль над условиями культивирования клеток, но многие системы полагаются на непрерывный поток жидкости, внешние насосы и сложные производственные процессы. Цифровая микрофлюидика предлагает точные манипуляции на уровне капель, но с трудом поддерживает настоящий трехмерный рост клеток из-за отсутствия микроструктур на кристалле. Учитывая эти проблемы, существует явная потребность в более простых интегрированных платформах, которые сочетают точный контроль с физиологически значимой трехмерной культурой клеток.

В исследовании, опубликованном (DOI: 10.1038/s41378-025-01098-9) в журнале Microsystems & Nanoengineering в 2025 году, исследователи из Университета Макао и его коллеги описывают интегрированную цифровую систему. микрофлюидная платформа, разработанная специально для 3D-культуры клеток. Команда использовала одноэтапный процесс микро-нано-3D-печати для изготовления трехмерных микроструктур непосредственно на микрофлюидных электродах. Полученный чип обеспечивает контролируемое движение капель, эффективный захват клеток и быстрое формирование трехмерных клеточных сфероидов. Эксперименты показали стабильную работу и высокую жизнеспособность клеток в течение до 72 часов, продемонстрировав практичность платформы для передовых биологических исследований.

В основе платформы лежит производственная стратегия, которая объединяет цифровую микрофлюидику и 3D-микроструктуры в одном устройстве. Вместо того, чтобы полагаться на многоэтапную литографию и изготовление в чистых помещениях, исследователи использовали проекционную стереолитографию для печати диэлектрического слоя, ограничительных ограждений и массивов микролунок за один этап. Этот подход значительно упрощает производство чипов, обеспечивая при этом точный контроль над трехмерной клеточной микросредой.

Команда оптимизировала ключевые параметры, которые управляют срабатыванием капель, включая напряжение, геометрию электрода и высоту микроструктуры. Чип надежно поддерживал основные цифровые микрофлюидные операции, такие как транспортировка капель, разделение и слияние как на плоских, так и на трехмерных поверхностях. Важно отметить, что суспензии клеток можно было вводить в микролунки с высокой точностью.

Оказавшись внутри трехмерных микроструктур, клетки быстро самособирались в компактные сфероиды. По сравнению с обычными двумерными культурами эти сфероиды продемонстрировали улучшенное межклеточное взаимодействие и более тканеподобную организацию. Анализы жизнеспособности и пролиферации подтвердили, что клетки оставались здоровыми в течение 24, 48 и 72 часов. Анализ изображений также выявил плотную многоклеточную архитектуру, которая очень напоминает тканевые структуры in vivo, подчеркивая биологическую значимость платформы.

Исследователи отмечают, что интеграция 3D-микроструктур непосредственно в цифровой микрофлюидный чип устраняет давнее узкое место в микрофлюидной клеточной культуре. Они подчеркивают, что платформа сочетает в себе точный контроль капель с биологически значимой 3D-средой, избегая при этом сложных рабочих процессов изготовления. По мнению команды, этот баланс между простотой и функциональностью может помочь более широко использовать передовые инструменты 3D-культуры клеток, особенно в лабораториях, у которых нет доступа к специализированным объектам микропроизводства.

Новая платформа имеет непосредственное применение в областях, где реалистичные модели клеток имеют важное значение. При скрининге лекарств трехмерные клеточные сфероиды часто обеспечивают более точные прогнозы эффективности и токсичности лекарств, чем плоские культуры. Чип также может поддерживать исследования в области биологии рака, тканевой инженерии и разработки органов на чипе, обеспечивая контролируемое формирование многоклеточных структур. Заглядывая в будущее, исследователи планируют еще больше снизить рабочее напряжение и интегрировать возможности зондирования и совместного культивирования нескольких клеток. Такие достижения могут позволить создавать более долгосрочные культуры и более сложные модели тканей, сокращая разрыв между лабораторными экспериментами и живыми системами.